Procedimiento y dispositivo para determinar la temperatura de un interruptor semiconductor.

Procedimiento para determinar la temperatura (T) de un interruptor semiconductor

(1), que tiene una resistencia eléctrica de puerta integrada (RGint), procedimiento que consta de las siguientes etapas:

- activación del interruptor de semiconductor (1) aumentando la tensión de puerta-emisor (UGE) del interruptor semiconductor (1) mediante una resistencia eléctrica externa (Rext) conectada a la conexión de resistencia de puerta (GA) del interruptor semiconductor (1), caracterizado por que el procedimiento además comprende las siguientes etapas:

- determinación del tiempo (dt) que la tensión de puerta-emisor (UGE) requiere durante el aumento de la tensión de puerta-emisor (UGE) del interruptor semiconductor (1), para aumentar de una primera tensión (U1) a una segunda tensión (U2); y

- determinación de la temperatura (T) del interruptor semiconductor (1) basándose en el tiempo (dt) determinado.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E12182959.

Solicitante: SEMIKRON ELEKTRONIK GMBH & CO. KG.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: SIGMUNDSTRASSE 200 90431 NURNBERG ALEMANIA.

Inventor/es: SCHULER,STEFAN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > CIRCUITOS ELECTRONICOS BASICOS > TECNICA DE IMPULSO (medida de las características... > Conmutación o apertura de puerta electrónica, es... > H03K17/08 (Modificaciones para proteger el circuito de conmutación contra la sobreintensidad o sobretensión)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE TEMPERATURAS; MEDIDA DE CANTIDADES DE CALOR;... > Medida de la temperatura basada en la utilización... > G01K7/01 (usando elementos semiconductores con uniones PN (G01K 7/02, G01K 7/16, G01K 7/30 tienen prioridad))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE TEMPERATURAS; MEDIDA DE CANTIDADES DE CALOR;... > Medida de la temperatura basada en la utilización... > G01K7/34 (utilizando elementos capacitivos)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > CIRCUITOS ELECTRONICOS BASICOS > TECNICA DE IMPULSO (medida de las características... > Conmutación o apertura de puerta electrónica, es... > H03K17/0812 (por medidas tomadas en el circuito de control)

PDF original: ES-2471871_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Procedimiento y dispositivo para determinar la temperatura de un interruptor semiconductor

La invenciïn se refiere a un procedimiento y a un aparato para determinar la temperatura de un interruptor semiconductor.

Los interruptores semiconductores se utilizan, entre otras cosas por ejemplo, para rectificar e invertir las tensiones y las corrientes elïctricas, en las que una pluralidad de interruptores semiconductores estïn, por lo general elïctricamente conectados entre sï, para obtener un convertidor de potencia. En ese caso, los interruptores semiconductores estïn generalmente dispuestos en un sustrato, que a su vez, estï conectado directa o indirectamente a un disipador tïrmico.

Cuando se opera un interruptor semiconductor, como por ejemplo un IGBT (un transistor bipolar de puerta aislada) o un MOSFET (un transistor de efecto de campo metal-ïxido-semiconductor) , aparece una pïrdida de energïa en el interruptor semiconductor en forma de calor durante la activaciïn y desactivaciïn del interruptor semiconductor, provocando asï el calentamiento del interruptor semiconductor. En este caso, se incurre en una pïrdida de energïa, fundamentalmente en la denominada capa barrera del interruptor semiconductor que conlleva un aumento en la temperatura de la misma. En este caso, la energïa perdida depende bïsicamente de la frecuencia con la que se activa y desactiva el interruptor semiconductor y tambiïn de las corrientes elïctricas que fluyen a travïs del mismo durante el funcionamiento, asï como de la tensiïn aplicada en el mismo.

Si, durante el funcionamiento del interruptor semiconductor, la temperatura del interruptor semiconductor y en particular, la temperatura de la capa barrera del mismo, sobrepasase un valor lïmite permitido, por ejemplo como consecuencia de una sobrecarga dinïmica o estïtica, esto podrïa conllevar un malfuncionamiento y en un caso extremo, la destrucciïn del interruptor semiconductor.

Para evitarlo, se conoce del estado de la tïcnica anterior, el acoplamiento de un sensor de temperatura cerca de los interruptores semiconductores dispuestos en un sustrato y la mediciïn de la temperatura del sustrato, al que el interruptor semiconductor emite la energïa perdida del mismo y que, por consiguiente, se calienta. Si la temperatura medida del sustrato sobrepasa un valor lïmite pre-establecido, entonces se desactivan los interruptores semiconductores. Como resultado de la constante de tiempo tïrmica y de la conductividad termal finita del sustrato, la temperatura del sustrato solo sigue la temperatura del interruptor semiconductor y en particular, la temperatura de la capa barrera del interruptor semiconductor de manera relativamente desfasada. Este procedimiento presenta la desventaja de que, como se mide la temperatura del sustrato y no la temperatura del interruptor semiconductor, no se detectan aumentos rïpidos de temperatura en los interruptores semiconductores que podrïan producirse, por ejemplo, en el caso de un cambio en la carga dinïmica y por eso, podrïan producirse malfuncionamientos o la destrucciïn de los interruptores semiconductores, como consecuencia de unas temperaturas excesivamente elevadas de los interruptores semiconductores, a pesar de la monitorizaciïn de la temperatura del sustrato. Se divulga un procedimiento sin sensor de temperatura en el documento DE 10 2008 063 806 A1.

Muchas veces, para conseguir la fuerza dielïctrica o la capacidad de conducir corriente requerida, hay que conectar elïctricamente una pluralidad de interruptores semiconductores, en serie y/o en paralelo, para obtener una vïlvula elïctrica. Para permitir los tiempos de menor duraciïn posible de activaciïn entre los interruptores semiconductores 45 de una vïlvula elïctrica, se conocen del estado de la tïcnica anterior interruptores semiconductores tales como los IGBT o los MOSFET, que tienen una resistencia elïctrica de puerta, integrada en los interruptores semiconductores. En estos interruptores semiconductores, se crea una puerta de resistencia ïhmica elïctrica, que por lo general tiene un valor de unos pocos ohmios, aplicando una capa semiconductora dopada adicional a las capas que estïn presentes de todas formas y forman el nïcleo funcional del interruptor semiconductor. Para obtener esta resistencia de puerta integrada en el interruptor semiconductor, se deposita por ejemplo el silano (SiH4) en un aislante (SiO2) . Se dopa despuïs la polisilicona que ha crecido en una capa. Luego, se aplica una metalizaciïn en la capa de polisilicona dopada, que forma la conexiïn de la resistencia de puerta accesible desde el exterior del interruptor semiconductor.

El objeto de la invenciïn es crear un procedimiento y un dispositivo para determinar la temperatura de un interruptor semiconductor, que permita una determinaciïn muy dinïmica de la temperatura del interruptor semiconductor.

Se consigue este objetivo mediante un procedimiento para determinar la temperatura de un interruptor semiconductor, que tiene una resistencia elïctrica de puerta integrada, procedimiento que consta de las siguientes etapas:

- activaciïn del interruptor semiconductor aumentando la tensiïn de puerta-emisor del interruptor semiconductor, mediante una resistencia elïctrica externa conectada a la conexiïn de resistencia de puerta del interruptor semiconductor,

-determinaciïn del tiempo que requiere la tensiïn de puerta-emisor durante el aumento de la tensiïn de puertaemisor del interruptor semiconductor, para aumentar de una primera tensiïn a una segunda tensiïn

- determinaciïn de la temperatura del interruptor semiconductor basïndose en el tiempo determinado.

Ademïs, este objetivo se alcanza mediante un aparato para determinar la temperatura de un interruptor semiconductor, que tiene una resistencia elïctrica de puerta integrada, que comprende: 5

- un circuito de control, configurado para activar el interruptor semiconductor aumentando la tensiïn de puertaemisor del interruptor semiconductor mediante una resistencia elïctrica externa, conectada a la conexiïn de resistencia de puerta del interruptor semiconductor;

- una unidad de determinaciïn del tiempo, configurada para determinar el tiempo que requiere la tensiïn de puerta-emisor, durante el aumento de la tensiïn de puerta-emisor del interruptor semiconductor, para aumentar de una primera tensiïn a una segunda tensiïn

- y una unidad de determinaciïn de la temperatura, configurada para determinar la temperatura del interruptor semiconductor, basïndose en el tiempo determinado.

Se derivan modos de realizaciïn ventajosos de la invenciïn a partir de las reivindicaciones dependientes. Los modos de realizaciïn ventajosos del procedimiento son anïlogas a los modos de realizaciïn ventajosos del aparato y viceversa.

Por otra parte, resultarïa ventajoso que el semiconductor estuviese desactivado cuando la temperatura determinada del interruptor semiconductor alcance o sobrepase un valor lïmite de temperatura. Se puede evitar asï con fiabilidad un malfuncionamiento o la destrucciïn del interruptor semiconductor como consecuencia de una temperatura demasiado elevada del interruptor semiconductor.

Es mïs, resultarïa ventajoso que la segunda tensiïn se encontrara por debajo de la tensiïn umbral del interruptor

semiconductor. Si la segunda tensiïn se encuentra por debajo de la denominada tensiïn umbral del interruptor semiconductor, es decir, por debajo de la tensiïn umbral, en la que fluye una corriente colectora perceptible, es decir, que el interruptor semiconductor empieza a cambiar al estado conductivo (activado) , se garantiza que la determinaciïn del tiempo para determinar la temperatura del interruptor semiconductor se produce por debajo de la denominada meseta... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para determinar la temperatura (T) de un interruptor semiconductor (1) , que tiene una resistencia elïctrica de puerta integrada (RGint) , procedimiento que consta de las siguientes etapas:

activaciïn del interruptor de semiconductor (1) aumentando la tensiïn de puerta-emisor (UGE) del interruptor semiconductor (1) mediante una resistencia elïctrica externa (Rext) conectada a la conexiïn de resistencia de puerta (GA) del interruptor semiconductor (1) , caracterizado por que el procedimiento ademïs comprende las siguientes etapas:

determinaciïn del tiempo (dt) que la tensiïn de puerta-emisor (UGE) requiere durante el aumento de la tensiïn de puerta-emisor (UGE) del interruptor semiconductor (1) , para aumentar de una primera tensiïn (U1) a una segunda tensiïn (U2) ; y determinaciïn de la temperatura (T) del interruptor semiconductor (1) basïndose en el tiempo (dt) determinado.

2. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, con las siguientes etapas adicionales:

desactivaciïn del interruptor semiconductor (1) cuando la temperatura (T) determinada del interruptor semiconductor (1) alcanza o sobrepasa un valor lïmite de temperatura (TK) . 20

3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la segunda tensiïn (U2) se encuentra por debajo de la tensiïn umbral (US) del interruptor semiconductor (1) .

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el interruptor 25 semiconductor (1) estï configurado como un IGBT o un MOSFET.

5. Aparato para determinar la temperatura (T) de un interruptor semiconductor (1) , que tiene una resistencia elïctrica de puerta integrada (RGint) , que comprende:

un circuito de control (3) , configurado para activar el interruptor semiconductor (1) aumentando la tensiïn de puerta-emisor (UGE) del interruptor semiconductor (1) mediante una resistencia elïctrica externa (Rext) , conectada a la conexiïn de resistencia de puerta (GA) del interruptor semiconductor (1) , caracterizado por: una unidad para determinar el tiempo (14) , configurada para determinar el tiempo (dt) que requiere la tensiïn de puerta-emisor (UGE) durante el aumento de la tensiïn de puerta-emisor (UGE) del interruptor semiconductor

(1) , para aumentar de una primera tensiïn (U1) a una segunda tensiïn (U2) ; y una unidad para determinar la temperatura (14) , configurada para determinar la temperatura (T) del interruptor semiconductor (1) basïndose en el tiempo determinado (dt) .

6. Disposiciïn de circuito con un aparato (13) de acuerdo con la Reivindicaciïn 6, en la que la disposiciïn de circuito cuenta con un interruptor semiconductor (1) , que tiene una resistencia elïctrica de puerta integrada (RGint) , en la que el circuito de control (3) del aparato (13) estï elïctricamente conectado a la conexiïn de resistencia de puerta (GA) del interruptor semiconductor (1) , mediante la resistencia elïctrica externa (Rext) , en la que la unidad para determinar el tiempo (14) estï elïctricamente conectada a la conexiïn de resistencia de puerta (GA) del interruptor semiconductor (1) .